高标清上下变换、幅型变换技术分析与相关考虑

高标清上下变换、幅型变换技术分析与相关考虑

中央电视台许钢鸣

在广电总局确定了高标清同播作为推进高清技术发展的重要举措之后，广播电视由标清向高清过渡的路线图变得清晰可见，各级电视台将迅速构建高清制播系统，新建的高清制播系统将与原有的标清制播系统共同形成高标清混合制播体系。

一过渡期混合制播体系简要说明

新建制作体系倾向于采用全高清、全文件体制，实现网络化制作。

原有制作体系存在的大量标清制作资源，包括磁带制作及非线制作系统，将继续使用直至自然淘汰，以最大限度保护投资。

新建播出系统倾向于支持高标清同播、网络化备播，采用高清播出服务器，以兼容高清、标清文件播出，内部具有信号上下变换功能，可输出高清或标清SDI信号。

原有标清播出系统将继续用于标清频道播出，其播出服务器仅支持标清文件播出，可考虑进行升级到高清播出服务器以支持高清、标清文件播出。

新建或改造节目准备系统以支持线性磁带节目完成文件化，以及视需要增加转码功能，将高清文件下变给原有标清播出系统进行播出。

高清节目需要引用少量标清素材；标清节目也不可避免要引用一些高清素材；高清节目可能在标清频道播出，反之，少量标清节目也可能在高清频道播出，因此，应对上下变换技术提出要求，并对幅型变换方式进行约束；对于信号直播，同理，也存在类似的问题。

二过渡期混合制播体系中高标清上下变换、画面幅型变换相关的技术要点

1. 过渡期的播出、制作形态

由于标清频道在今后较长的一段时期内继续存在，同时，应大力发展高清频道以推动技术、产业升级，因此，过渡期间的频道播出将存在三种播出形态，即：标清播出、高标清同播、高清播出。

节目制作应适配高清频道的发展，逐步提高高清节目的比重，并要兼顾标清频道的播出，目前应主要照顾占大多数的屏幕为4:3的标清接收机的屏幕效果，随着16:9高清接收机的普及，可过渡到优先照顾16:9接收机的屏幕效果。因此，我们从战略上制定了前过渡期和后过渡期两个发展阶段，前过渡期高清节目制作主要按4:3保护框方式构图，下变换采用两

侧切边（Edge Crop）的方式，后过渡期高清节目制作主要按16:9方式构图，下变换采用信箱（Letter Box）的方式。

高标清混合制播的图像技术质量保证及安全播出保证主要依靠两方面手段来实现，一方面是技术手段，另一方面是管理手段。技术上要确保上下变换器的质量符合业务要求，幅型变换可进行自动处理，在信号和文件之间有继承的手段，在播出环节支持自动控制；管理上应对素材引用、幅型变换有一定规范。

2. 上下变换关键技术比较及相关考虑

高标清上下变换技术目前已比较成熟，其视频信号的处理流程，大家也已熟悉，各设备厂家的做法也大体一致，在技术实现上基本都是对于连续视音频信号的时空采样结构进行变换，基本流程如图1所示。

其中去隔行、重采样是最重要的。目前主流厂家的变换器质量差别主要体现在运动图像的处理技术上，对于质量要求较高的变换器，去隔行一般会使用运动自适应算法（motion adaptived），更高档次的会使用运动补偿算法（motion compensated），MA结合了空间和时间，在运动图像区域进行空间插值；MC精度依赖于运动预测算法和运动选择区域的大小，像素块越小、沿时间方向预测精度越高，图像的质量也高，产品成本越高。设备选型应根据实际业务要求而定，可考虑中高档相结合以兼顾需要及投入。

对于上下变换器的测试，可考虑以下几种手段：

* 使用运动图像序列，评价其是否出现锯齿和拖尾，以检查去隔行效果；其中可考虑使用存在不同运动方向、运动速度的物体相叠加的图像序列，可检查其处理的精度等。

* 使用多波群信号，评价其清晰度和锐度，以检查重采样中的滤波抗混叠和细节增强技术。

* 使用彩条测试信号，以检查彩色空间转换处理效果。

3. 幅型变换模式

对应过渡期标清播出、高标清同播、高清播出三种播出形态，在多种幅型变换模式中，通常会根据节目的需要选用其中几种，这样有利于技术系统的实现，简化运行模式。以下四种是目前常用的幅型变换模式。

* 高清制作，4:3构图，两侧切边（Edge Crop）下变换标清播出，如图2。

* 高清制作，16:9构图，上下加边（Letter Box）下变换标清播出，如图3。

* 标清制作，左右两侧加边（Pillar Box）上变换高清播出，如图4。

* 标清16:9遮幅制作，上下切边（Full Width）上变换高清播出，如图5。

4. 幅型变换需注意的问题

在幅型变换过程中，会导致三方面的问题，在实际运行中应设法避免。

首先是幅型变换对构图的影响。无论是高清下变换还是标清上变换，都存在对于图像的裁剪或加边的处理和图像的缩放，这都会造成原始画面信息的缺失或无用画面的填充，形成对原始画面在固定幅面屏幕上展现效果的影响，进而影响收视体验。因此，在节目策划过程中，需要对最终的展现进行考虑，通过匹配制作和播出的幅型变换模式，最大限度消除幅型变换对构图的影响。

其次是幅型变换对画面质量的影响。上下变换不是一个可逆过程，对质量影响最严重的情况是高清节目中引用了标清上变换的素材，成品高清节目又下变换标清播出，经过一个来回的变换，如果对应主观评价标准，图像质量从专家察觉下降到普通观众可以察觉。另外，由于制作和播出多个生产过程中对于幅型变换采用了软硬件不同的方法，会造成对于矢量图形和非矢量图形的差异。因此，为避免变换对图像质量的影响，应尽量减少变换次数，多采用原始文件进行处理，避免多次转换。

第三是幅型变换的自动匹配。素材的幅型与成品节目的幅型，节目源的幅型和播出后的幅型，都存在多种组合的变换可能，如果不能够自动匹配，将加大运行复杂程度，尤其在演播室和频道，可能由于幅型变换不当造成播出事故。因此，统一采用AFD标识能够降低运行成本，提高幅型变换的自动化处理程度。在技术实现上要做到连续播出节目幅型变换的帧精度切换。

5. 幅型变换的技术标准及建议

SMPTE提供了幅型变换的标准，采用AFD（Active Format Description）对文件和信号的画面幅型比进行统一标示。SMPTE已经正式发布的SMPTE 377M-2004标准和SMPTE 2016-1标准中，包括了对于文件中嵌入AFD的描述。对于信号中AFD信息嵌入方式，在SMPTE 2016-3标准中也已经给出。根据SMPTE标准相关的路线图，未来与文件有关的AFD、Bar Data和Pan & Scan的KLV定义将在SMPTE 2016-5中给出完整定义。

目前包括Harris、Evertz、Miranda、Snell & Wilcox、Omneon、Thomson、Seachange 在内的多个厂商已经开始提供支持AFD的周边或视频服务器产品，对AFD的编码规范使用的理解也基本趋于一致。鉴于现行系统中还会存在一些没有支持AFD的产品，因此，应当基于SMPTE的现有标准，制定各企业的适用标准，一方面可以为不具备AFD信息的节目或系统定义企业的默认AFD信息，另一方面也利于今后全台统一向更加完善的AFD标准升级。